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Vol. 20. Núm. 3.
Páginas 187-192 (Julio - Septiembre 2016)
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Vol. 20. Núm. 3.
Páginas 187-192 (Julio - Septiembre 2016)
TRABAJO ORIGINAL
DOI: 10.1016/j.rodmex.2016.08.006
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Análisis químico elemental y de fases por medio de PIXE, DSC, TGA y DRX en MTA Angelus® y un cemento Portland blanco
Elemental chemical composition and phase analysis by means of PIXE, DSC, TGA, and DRX of MTA Angelus® and a white Portland cement
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Abigailt Flores Ledesma1,
Autor para correspondencia
dra_abyfl@hotmail.com

Autor para correspondencia.
, Federico H Barceló Santana2, Lauro Bucio Galindo3, Jesús Ángel Arenas Alatorre3, José Luis Ruvalcaba Sil3
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Rev Odont Mex. 2016;20:e182-610.1016/j.rodmex.2016.08.015
Abigailt Flores Ledesma, Federico H Barceló Santana, Lauro Bucio Galindo, Jesús Ángel Arenas Alatorre, José Luis Ruvalcaba Sil
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Cuadro I. Resultados de PIXE (wt%)
Cuadro II. Relación entre silicio-aluminio y silicio-calcio
Cuadro III. Coeficiente de absorción de los componentes identificados en los cementos
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RESUMEN

El mineral trióxido agregado (MTA) es un cemento usado principalmente para sellar perforaciones en órganos dentales debido a que endurece en presencia de humedad, está compuesto por cemento Portland y trióxido de bismuto.

Objetivo

Analizar y comparar por medio de PIXE, DSC, TGA y DRX la composición química elemental y de fases del cemento MTA Angelus® y de un cemento Portland blanco (CPB-CA).

Material y métodos

MTA Angelus® blanco y un cemento Portland blanco fueron analizados con PIXE en un acelerador de partículas; el análisis de fases cristalinas se realizó por medio de DRX y contrastado los picos con los de base de datos del ICDD, el DSC se realizó en un calorímetro hasta 900°C.

Resultados

PIXE detectó como elementos de mayor porcentaje fueron aluminio, silicio y calcio para ambos cementos; habiendo diferencias en los porcentajes de azufre; el bismuto sólo se detectó en MTA Angelus®. Se detectaron como elementos traza cobre y estroncio en el MTA Angelus®, además de zirconio en CPB-CA. La relación entre silicio-calcio y silicio-aluminio en los dos cementos es similar. Se identificaron tres fases cristalinas en ambos cementos, silicato dicálcico, silicato tricálcico y aluminato tricálcico; sin embargo, se identificó Bismita en el MTA Angelus® y sulfato de calcio en forma de yeso en CPB-CA, que se logró corroborar con la ayuda de la técnica DSC.

Conclusiones

Se logró observar la baja cantidad de yeso en MTA Angelus® por medio de la calorimetría. Tanto las fases cristalinas como la composición química elemental son similares en ambos cementos.

Palabras clave:
Análisis químico elemental
MTA
cemento Portland blanco
PIXE
DRX
DSC
TGA
ABSTRACT

Mineral trioxide aggregate (MTA) is a cement mainly used to seal tooth perforations; this is due to the fact that it hardens when in presence of humidity. It is composed of Portland cement and Bismuth trioxide.

Objective

To analyze and compare with PIXE, DSC, TGA and DRX elementary chemical and phase composition of MTA Angelus® cement with a white Portland cement (WPC).

Material and methods

MTA Angelus® white and a white Portland cement were analyzed with PIXE in a particle accelerator, phase analyses were conducted with XRD contrasting peaks with those in the ICDD database. DSC was conducted in a calorimeter up to 900°C.

Results

PIXE detected the following as greater percentage elements: aluminum, silica and calcium for both cements. Differences were found with sulfur percentages; Bismuth was only detected in MTA Angelus®. Trace elements of copper and strontium were detected in MTA Angelus® and zirconium in WPC. Relationship between silica-calcium and silica-aluminum was similar in both cements. In both cements, three crystalline phases were detected: dicalcium silicate, tricalcium silicate and tricalcium aluminate. Nevertheless, Bismite was identified in MTA Angelus® and calcium sulfate in the form of gypsum in WPC, this was corroborated with DSC technique.

Conclusions

In MTA Angelus®, low gypsum amounts were observed by means of calorimetry. In both cements, crystalline phases and elemental chemical composition were similar.

Keywords:
Elemental chemical analysis
MTA
white Portland cement
PIXE
XRD
DSC
TGA
Apéndice
Español
PIXE

Emisión de Rayos X inducido por partículas

DSC

Calorimetría diferencial de barrido

TGA

Termogravimetría

DRX

Difracción de Rayos X

MTA

Mineral Trióxido Agregado

Inglés
PIXE

Particle Induced X ray Emission

SDC

Scanning Differential Calorimetry

TGA

Thermogravimetry

XRD

X Ray Diffraction

MTA

Mineral Trioxide Aggregate

Texto completo
INTRODUCCIÓN

En 1995, Torabinejad1 estudió por primera vez el MTA, como un material para el sellado de perforaciones dentro de los canales radiculares y de furca en piezas dentales. Otros autores2,3 se han dedicado a estudiar el MTA en cuanto a propiedades mecánicas y fisicoquímicas; además de sus aplicaciones clínicas4,5 y su comportamiento biológico.6 Debido a que se ha reportado que la composición del MTA es 80% cemento Portland y 20% trióxido de bismuto,7 han surgido numerosos estudios comparando las propiedades físicas, químicas, mecánicas y aplicaciones clínicas del MTA con cementos Portland con un posible uso odontológico.8,9

Una de las técnicas de caracterización que se ha usado para el análisis elemental químico de este material es principalmente espectroscopia de dispersión de energía (EDS) o también llamado análisis de dispersión de energía por rayos-X (EDAX) adaptada a un microscopio electrónico de barrido.9–13 Con esta técnica se logran obtener los elementos que componen el material a partir de la emisión de rayos-X después de haber sido irradiados por un haz de electrones; una de las desventajas que presenta es que es un análisis puntual por lo que se deben de realizar diversas lecturas en distintos lugares de la muestra, además que los límites de detección son bajos.14

En el 2009, Belío-Reyes y Bucio15 estudiaron la composición elemental de MTA ProRoot por medio de emisión de rayos-X inducido por partículas (PIXE) debido a que es una técnica usada para la identificación de elementos traza, cuenta con un límite de detección de 0.1-1ppm; la técnica está basada en la detección de picos característicos del espectro de rayos-X y la cuantificación de los mismos de acuerdo con las intensidades de cada uno de ellos, dentro de sus ventajas es que es un análisis multielemental, no destructivo.16

El análisis de fases por medio de difracción de rayos-X (DRX) es ampliamente utilizado en el estudio de materiales cristalinos, la técnica se basa en la obtención de un patrón de difracción para una fase cristalina individual, donde corresponde un conjunto de picos con una intensidad y un 2θ difractados específicos.17 Diversos autores han usado esta técnica dentro de los estudios entre MTA y cementos Portland.8,10,13,15,18

Muchos de los estudios sobre MTA son realizados con MTA ProRoot,10,12,15,18,19 comercialmente se encuentra a la venta otra marca: MTA Angelus, que ha sido relativamente poco estudiada. El objetivo de este estudio fue analizar y comparar por medio de PIXE, DSC, TGA y DRX la composición elemental química y de fases de MTA Angelus® (MTA-A) y de un cemento Portland blanco (CPB-CA).

MATERIAL Y MÉTODOS

Para el estudio se usó MTA Angelus® (Angelus Industria de Productos Odontológicos S/A; Londrina, Brasil; Lote 12394) y un cemento Portland Blanco (Cruz Azul; México; Lote 033442).

Análisis elemental químico

PIXE fue realizado en un acelerador Pelletron NEC (National Electrostatics Corp., Middletown, WI) con un haz de protones de 1mm de diámetro y de 3 MeV, la muestra fue colocada frente a los dos detectores, uno de Si (Li) para elementos ligeros y uno de LEGe para elementos pesados y traza; por un tiempo de 10min. Para la calibración del equipo, un cemento Portland certificado fue usado: NISTSRM 1880a (National Institute of Standards and Techonology).

Ambos resultados fueron procesados con un software (AXIL) para la detección de cada uno de los picos de Rayos-X característicos de cada elemento y realizar la cuantificación de ellos.

Análisis de fases cristalinas

La difracción de rayos-X por el método de polvos fue realizada en un difractómetro Bruker D8 Advance (Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Germany; radiación Cu Kα1, λ = 1.5405Å), los datos fueron obtenidos a partir de 2θ = 8 a 80 grados. Posteriormente los difractogramas obtenidos y de acuerdo con el análisis elemental, fueron comparados con la base de datos de PDF (Powder Diffraction Files) para encontrar el grupo de picos que coincidieran entre los datos experimentales y de alguna fase conocida dentro del ICDD (International Centre of Diffraction Data).20

Análisis térmico

Se realizó calorimetría diferencial de barrido (DSC) y termogravimetría (TGA) en un calorímetro TA Instrument Calorimetry (SDT Q600, United State), a partir de la temperatura ambiente hasta 900°C, con una tasa de calentamiento de 10°C/min en una atmósfera de aire. Las muestras fueron colocadas en un crisol de alúmina, de modo que una adecuada identificación del sulfato de calcio fuera lograda a partir del grado de hidratación, yeso puro de Naica fue usado como referencia.

RESULTADOS

Los resultados de PIXE se muestran en la figura 1ycuadro I, este análisis revela que los elementos en mayor porcentaje para ambos cementos son aluminio, silicio y calcio; se encuentra una diferencia notable en los porcentajes de azufre entre ellos, mientras que en el caso del Bismuto sólo se detectó en MTA Angelus®. Como elementos traza se encontró la presencia de cobre y estroncio en MTA Angelus® y zirconio en CPB-CA.

Cuadro I.

Resultados de PIXE (wt%)

Elemento químico  MTA Angelus®  CPB-CA 
Al  2.73  2.88 
Si  8.17  10.11 
0.48  0.65 
0.01  1.50 
0.37  0.50 
Ca  26.20  50.21 
Cr  0.35  0.01 
Mn  0.05  0.01 
Fe  0.15  0.18 
Cu  0.02 
Sr  0.28 
Zr  0.07 
Bi  5.72 
55.47  33.88 
Total  100  100 

La relación entre silicio-calcio y aluminio-calcio se obtuvo a partir de un cociente entre los porcentajes de cada uno de estos elementos (Cuadro II).

Cuadro II.

Relación entre silicio-aluminio y silicio-calcio

  MTA Angelus®  CPB-CA 
Si/Al  3.03  2.72 
Si/Ca  0.31  0.2 

Los patrones de difracción obtenidos son presentados en la figura 2.

El análisis de fases de MTA-A y CPB-CA indica que están compuestos principalmente por tres fases similares, silicato dicálcico «C2S» (PDF: 70-0388) con las reflexiones más altas en los ángulos 2θ: 32.07, 32.2, 32.62 y 34.41; silicato tricálcico «C3S» (PDF: 86-0402) con las reflexiones más fuertes en 29.35, 32.19, 34.35y 41.29; y la última fase aluminato tricálcico «C3A» (PDF: 38-1429) con los picos más altos en 33.16, 47.62 y 59.27. La fase Bismita (PDF: 41-1449) con ángulos 2θ en 26.92, 27.37 y 33.03 sólo fue detectada en MTA-A; por el contrario en el CPB-CA fue detectado sulfato de calcio en forma de yeso (PDF: 03-0044) con sus reflexiones más marcadas en 11.64, 20.73 y en 43.47. Los coeficientes de absorción de las fases minerales detectadas se muestran en el cuadro III.

Cuadro III.

Coeficiente de absorción de los componentes identificados en los cementos

Fórmula química  Nombre químico  Fase cristalina  ICDD  Coeficiente de absorción, μ (cm-1
Bi2O3  Trióxido de bismuto  Bismita  41-1449  2061 
Ca2 SiO4  Silicato dicálcico  Larnita  70-0388  277 
Ca3SiO5  Silicato tricálcico  Hatrurita  86-0402  295 
Ca3Al2O6  Aluminato tricálcico  38-1429  42 
CaSO42H2Sulfato de calcio dihidratado  Yeso  03-0044  149 

Los resultados del TGA en el CPB-CA indican que existe una pérdida de peso a los 100°C que es atribuida a la evaporación de agua del sulfato de calcio di hidratado o yeso, la muestras fueron comparadas con yeso puro de Naica (Figura 3).

El DSC muestra una reacción endotérmica alrededor de los 113°C en el CPB-CA y a los 141°C en el yeso de Naica; sin embargo, no se observa este flujo endotérmico en MTA Angelus®, por lo que se concluye que no tiene sulfato calcio (Figura 4).

DISCUSIÓN

Dentro de los análisis hechos por EDS, Oliveira9 se encontró que entre el MTA ProRoot, MTA Angelus® y un cemento Portland los elementos químicos son muy similares con variaciones mínimas entre ellas; a excepción del Bismuto que sólo fue detectado en el MTA; comportamiento observado de la misma manera en nuestro estudio, recordando que el Bi sólo es agregado con la finalidad de hacer un material radiopaco y que sea detectable clínicamente dentro del campo odontológico. De igual manera Asgary12 realizó una comparación de los componentes entre diferentes tipos de MTA y cementos Portland por medio de esta técnica; donde se observó que las concentraciones de elementos traza son variadas en cuanto a la cantidad de Al2O3, MgO y FeO; el uso de técnicas nucleares para el análisis del material como PIXE permite una rápida identificación de elementos en baja concentración por lo que se logró detectar la presencia de cromo, manganeso, estroncio, cobre y zirconio con una cuantificación precisa de cada uno de ellos. Por medio de PIXE es complicada la identificación del azufre para el caso del MTA Angelus®, debido a que los picos de rayos-X Kα (2.3keV) del azufre se sobreponen con los picos Ma (2.4keV) del bismuto.

Camilleri13 y García Aranda21 analizaron cementos Portland con una probable aplicación odontológica, los resultados arrojaron que en todos los cementos el principal elemento es calcio, silicio y aluminio, con algunos traza como son magnesio, potasio y sodio, mientras que García Aranda21 y Rodríguez22 detectaron en cementos MTA elementos traza como fósforo, cromo cloro e hierro a pesar de que los cementos eran blancos; coincidimos con estos estudios ya que al usar PIXE como técnica de análisis elemental se logró detectar: cromo, zirconio, hierro y manganeso en el CPB-CA y MTA Angelus®, además de cobre y estroncio en este último; actualmente muchos de los materiales de uso odontológico se les ha agregado ZrO2 como material de relleno, con el objetivo de mejorar las propiedades mecánicas de éstos o bien como material radiopaco,24 por lo que da pauta que en estudios posteriores se logre encontrar relación entre la presencia de este elemento y la mejora de algunas propiedades del cemento.

Belío-Reyes y Bucio15 realizaron un análisis de DRX detectó como principales fases a través de refinamiento Rietveld: Bismita, Hatrurita, Larnita y Anhidrita, en un porcentaje de 19.8, 51.9, 23.2 y 1.3% respectivamente; mientras que las tres primeras fases también fueron detectadas en nuestro análisis para MTA-A, la fase del sulfato de calcio en el cemento Portland blanco fue diferente, encontrando yeso como parte de la composición básica. Camilleri13 estudió también por esta técnica diferentes cementos Portland y observó que las principales fases detectadas en el cemento Portland blanco fueron silicato tricálcico (31-0301) y silicato dicálcico (31-0299), en el presente estudio coincide con las fases minerales detectadas; sin embargo, presentan una estructura cristalina diferente, además observamos la ausencia del sulfato de calcio en el MTA Angelus® lo cual debe verse reflejado en el tiempo de fraguado del cemento,23,24 ya que se sabe que la presencia de yeso en los cementos evitan lo que se conoce como «flash set» o «endurecimiento rápido». La DRX es una excelente técnica para la identificación de fases minerales en materiales cerámicos policristalinos, sería ideal complementar el estudio con la cuantificación de las fases encontradas por medio del método Rietveld.

CONCLUSIÓN

Bajo la metodología usada en este estudio se concluye que los dos materiales tienen una composición química similar siendo calcio, silicio y aluminio los elementos de mayor porcentaje, la cantidad de Hierro detectado es muy bajo debido a que ambos materiales son cementos blancos y la fase ferrita no se encuentra presente como lo es en los cementos grises. El azufre es detectado en una muy baja cantidad en MTA Angelus® a diferencia del CPB-CA.

Por medio de DRX se observó que dentro de las diferencias más notorias es la ausencia del sulfato de calcio en el MTA Angelus® y la fase Bismita en el CPB-CA, y que las fases minerales presentes en ambos cementos son el silicato dicálcico, silicato tricálcico y aluminato tricálcico.

Agradecimientos

Se agradece el apoyo otorgado para la realización de este trabajo al Laboratorio Pelletron en el IFUNAM, por el uso del acelerador.

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Este artículo puede ser consultado en versión completa en http://www.medigraphic.com/facultadodontologiaunam

Residente de Doctorado en Ciencias del Laboratorio de Biomateriales Dentales de la Universidad Nacional Autónoma de México

División de Estudios de Postgrado e Investigación, Facultad de Odontología, Universidad Nacional Autónoma de México.

Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México.

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